6.6.5. Электроконтактнохимический метод

6.6.5.1. Процессы в зоне контакта сопряженных деталей

К особенностям метода относится протекание процесса при временном контакте электродов, что возможно только в случае использования низкого напряжения, когда сопротивление окисных пленок достаточно для предотвращения импульса тока. Окисные пленки на металлах являются полупроводниками, и между электродами протекает ток, который, ввиду малой толщины пленки, создает плотность выше предельной, т.е. обеспечивает анодный съем припуска в местах контакта электродов. При этом скорость удаления металла зависит от толщины пленки, изменяющейся под действием контактного давления, например, в зубчатых передачах. В этом случае достигается локальное удаление припуска на аноде и его выравнивание относительно теоретического профиля. Такой процесс используется при ремонте и восстановлении контактных пар (зубчатых колес, шлицевых соединений), когда одна из деталей сохраняет требуемую точность профиля (например, зубчатое колесо большого диаметра) или такая деталь заменена на новую, изготовленную с заданной точностью.

В случае износа профиля зубьев (шлицев) на обоих колесах и при наличии припуска на обработку за счет остаточной (после эксплуатации) части допуска на толщину зуба можно использовать переменную полярность (табл. 6.1, процесс 3), где обработка происходит по схеме притирки и может снизиться имеющееся нарушение теоретического профиля, например, эвольвенты.

6.6.5.2. Описание процессов, протекающих в месте контакта сопряженных деталей при комбинированной обработке

На примере зубчатых передач показано, что местные разрушения профиля при эксплуатации, как правило, вызывают концентрацию напряжений, несовместимую с дальнейшей эксплуатацией узлов, и такие зубчатые колеса необходимо заменять.

При расчете технологических режимов учитывают, что в любом случае износ одного из колес (как правило, меньшего диаметра) существенно выше, поэтому параметры процесса находят, принимая колесо с меньшим износом кондиционным (что в большинстве случаев отвечает реальности).

Тогда расчетная схема для управления процессом отвечает приведенной на рис 6.21, где приняты следующие начальные условия: износ по профилю зуба имеет плавные переходы между участками; минимальный припуск имеет положительное значение относительно нижнего предельного контура зуба (граница 3 на рис 6.21); металлический контакт между сопрягаемыми зубьями отсутствует, т.е. в точке «а» (рис. 6.21) имеется некоторый слой рабочей среды, препятствующий соприкосновению частей 1;2 при доводке.

Граничным условием будет

, (6.93)

где z_min – минимальный припуск относительно нижней границы допуска на толщину зуба для заданной степени точности зубчатой передачи.

Рис 6.21. Расчетная схема процесса при доводке профиля зуба

1 - профиль не изношенного зуба; 2 - контур сечения изношенного зуба с рабочей стороны; 3 - нижняя граница по толщине изношенного зуба; 4 - вязкий приэлектродный слой;

Zmax – предельный допуск на обработку изношенного зуба; Zmin – минимальный припуск на обработку изношенного зуба; z – неравномерность припуска по профилю.

Для выполнения граничного условия (6.93) необходимо рассчитать величину неравномерности припуска (Δz) в конце доводки.

Если принять, что в точке «а» (рис 6.21) имеется пограничный слой с повышенной вязкостью, то его толщина, определяющая минимальный межэлектродный зазор при доводке, рассчитывается по зависимости [109]:

, (6.94)

где ν - кинематическая вязкость среды;

L – длина зоны обработки;

W₀- средняя скорость перемещения рабочей среды;

D – коэффициент диффузии.

Для расчета D предлагается [109] эмпирическая зависимость

D = 0,96 10^-3 1+0,0289 (Т-273).

Вязкость  в рабочей среде [109] в зоне точки «а» (рис 6.21) имеет значение, соответствующее вязкости индустриального машинного масла при Т=315 К.

Длина зоны обработки может быть принята равной дуге перекрытия зубчатой передачи, которая составляет

L=p_i,

где  - коэффициент перекрытия. Величина «» выбирается в пределах 1,2-1,5;

p_i –шаг между зубьями по начальной окружности

p_i = ,

где m - модуль колеса.

Среднюю скорость перемещения рабочей среды W₀ можно найти при условии, что вязкая среда перемещается в зоне контакта зубьев с проскальзыванием. Тогда для дуги перекрытия L при частоте вращения n

W₀ = KLn= K p_in, (6.95)

где К – коэффициент проскальзывания, учитывающий отставание жидкости от зоны контакта колес; выбирается аналогично параметрам шестеренчатых насосов.

Из [112] известно, что нижний предел скорости течения рабочей среды для электрохимической размерной обработки составляет 0,5 м/с.

Тогда из (6.95) можно найти частоту вращения передачи

, (6.96)

где z_зуб – число зубьев колеса;

D_д – диаметр обрабатываемого колеса по делительной окружности.

Правомерно также предположение, что для оценочных расчетов неравномерности припуска в конце обработки профиля зуба, когда z_min0, величина z не должна превышать величины допуска на толщину зуба. Плотность тока (а следовательно и локальный съем припуска) на всех участках профиля изменяется обратно пропорционально изменению межэлектродных зазоров. По рис. 6.21 минимальный зазор в точке «а» составляет S₁, а максимальный (точка «б») -

S₂ = S₁ + z(),

где z() – изменение неравномерности припуска в течение времени обработки .

Тогда без учета перекрытия зубьев скорость съема материала (V) при доводке по [131], в точках «а» и «б» составит

. (6.97)

Время удаления припуска _б определяется через съем z_min (точка «б» на рис. 6.21) при условии достижения z  _n .

Из (6.97)

.

После преобразований

. (6.98)

Очевидно, что время обработки участков в точках «а» и «б» одинаково (_а = _б = ), хотя скорость анодного растворения в точке «а» будет существенно выше, т.к. величина «» измеряется микронами и при выполнении условия массовыноса [109] повышенный съем материала в точке «а» будет снижать неравномерность припуска.

Для выполнения граничного условия необходимо в конце доводки получить (рис. 6.21)

z  0.

C учетом (6.98)

, (6.99)

где L, W₀ – находят по (6.95).

Откуда находят z_min, определяющий пригодность колеса к ремонту.

Решение уравнения (6.98) позволяет также найти время обработки (), при котором выполняется условие (6.99). Учитывая малую величину z относительно общего припуска, решение может быть выполнено дискретным методом последовательных приближений.

Число проходов в процессе доводки можно найти, зная из зависимости (6.97), какое количество металла с поверхности удаляется за 1 оборот колеса (z'). Тогда отношение припуска на обработку к величине съема металла за проход даст искомую величину.

Число проходов при доводке должно быть кратным отношению z_min к предельной погрешности z' c округлением в сторону увеличения до целого числа (m_пер):

. (6.100)

Если m_пер=1, то расчет выполняется по (6.98). В других случаях находят суммарное время обработки ₀.

Съем z_min можно представить как дискретное удаление припуска z_{m min} при числе переходов m _пер.

, (6.101)

где

z_{m min}= . (6.102)

_m - общее время обработки одного зуба.

Управление дискретным процессом доводки с удалением припуска z_min возможно по времени обработки ₀

. (6.103)

Если полученное время обработки превышает расчетное по зависимости (6.98), то его берут равным  по (6.98).

Если расчетное ₀0, то принимают ₀=0, что показывает возможность получения требуемого профиля при сохранении части припуска на обработку по контуру зуба без доводки.

Следует отметить, что величина ₀ определяет время обработки изношенной поверхности одного участка , а не всего колеса.

Общее время обработки определяется как

_общ = ₀, (6.104)

где Н – длина обрабатываемой поверхности, то есть поверхности, на которой происходит контакт зубьев;

– длина участка, на котором обработка идет в данный момент времени.

В работах по трибологии приводится частная зависимость для цилиндрических поверхностей, разделенных смазкой, где средний зазор «S» определяется по формуле

(6.105)

где Р_{1 max} – максимальное давление среды в зоне контакта;

₀ – средняя динамическая вязкость среды в зазоре;

r_пр – приведенный радиус кривизны;

W₀ – скорость относительного перемещения поверхностей;

Е_пр – приведенный модуль упругости (выбирается из справочников);

 - пьезокоэффициент вязкости среды при температуре входа ее в зону контакта (выбирается из справочников).

Из (6.105) при средней вязкости среды ₀ можно найти силу давления в зоне контакта Р₁:

(6.106)

С некоторым приближением величину S_min можно оценить по зависимости

S_min=K₁(Rz₁+Rz₂), (6.107)

где К₁ – коэффициент, учитывающий максимальные неровности профиля (К₁=1,2-1,5).

Имея геометрические размеры рычагов установки и колес определяют силу торможения, при которой следует выполнить доводку колеса.

Погрешность восстановленных колес зависит от выбора режимов, которые могут быть заданы напряжением на электродах; зазором, рассчитанным через вязкость рабочей среды и контактное давление; степенью износа, характеризуемой соотношением припусков на обработку и абсолютной величиной минимального припуска, как разницы между предельной границей износа и линией контура по минимальной (в пределах допуска) толщине зуба. Как следует из [109] соотношение не может быть более 2, что справедливо для зазоров более 0,2 мм (рис. 6.22), а при зазорах на порядок ниже скорость выравнивания поверхности резко возрастает, поэтому начальная неравномерность припуска может увеличиваться в несколько раз. Эта величина зависит от z_min, который в свою очередь ограничен величиной z_min, определяющей предельную величину съема по толщине зуба для заданной степени точности. Возможности восстановления зубчатых передач возрастают, если допустимо снижение степени точности и за счет этого увеличение z_min. Анализ рис. 6.22 позволяет выбрать силу торможения передачи при доводке, что определяет зазор (см. рис. 6.22), напряжение на электродах.

При напряжении U=2,5-4 В и зазоре менее 0,2 мм скорость съема возрастает с увеличением контактного давления (рис 6.23) на 2 порядка и достигает 0,008-0,01 мм/сек.

За счет снижения зазора неравномерность припуска достигает значения, ограниченного z (в нашем случае z = 20-22 мкм) через 4-5 секунд обработки. При этом z_min уменьшается с 0,021 до 0,01-0,015 мм, т.е. передача остается кондиционной.

6.6.5.3. Особенности проектирования режимов комбинированной обработки

При расчете режимов процесса доводки необходимо учитывать следующее:

1. выбранные режимы должны обеспечивать заданные технологические показатели;

2. режимы могут быть реализованы на имеющемся оборудовании.

	Рис 6.22. Изменение неравномерности припуска в зависимости от межэлектродного зазора (S) и напряжения (U) на электродах (начальный припуск zmin = 0,05 мм)
	Рис 6.23. Изменение минимального зазора в зацеплении при различных давлениях на сопрягаемые поверхности

По последнему требованию трудно дать конкретные рекомендации, так как номенклатура оборудования, с помощью которого можно производить комбинированную обработку, достаточно широка, и в каждом конкретном случае будут свои ограничения.

При проектировании процесса комбинированной доводки зубчатых колес следует учитывать технологические показатели: производительность, точность, качество обработанной поверхности.

Наиболее значимым показателем является точность. Если в процессе доводки произойдет превышение съема относительно z_min по толщине зуба, то придется заменять колесо (или оба колеса). При одновременной обработке обоих колес съем металла происходит с них поочередно, при этом по мере удаления припуска процесс анодного растворения интенсифицируется. В тех случаях, когда операция выполняется на постоянной полярности, а инструментом является новое или эталонное колесо, за счет анодного растворения происходит уточнение эвольвентного профиля зубьев. Погрешность профиля снижается при многократной обработке одним и тем же эталонным колесом. Эксперименты показали, что наибольшая скорость съема наблюдается при напряжениях свыше 5 В. Однако при этом могут возникать импульсы тока, снижающие качество поверхностного слоя. При переменном токе и пониженных напряжениях можно получить управляемый съем металла с погрешностью не более 1%, что обеспечивает получение требуемой точности восстановленных зубчатых колес.

Шероховатость поверхности влияет на один из показателей точности колеса – степень контакта зубьев.

Вследствие электроэрозионных разрядов после восстановления профиля зуба на поверхности могут образовываться лунки, что приводит к повышению шероховатости. Для материала БРОФ наблюдались неровности (Ra) до 15 мкм. Для устранения мощных разрядов целесообразно выбирать режимы так, чтобы энергия импульса находилась в пределах 0,025-0,05 Дж, тогда шероховатость будет относительно низкой при производительности, достаточной для черновой обработки.

Поверхности с высокой чистотой можно получить при низких напряжениях за счет повышения плотности тока до 20 А/см². При этом высота неровностей может быть снижена до Ra=0,3 мкм, что сопоставимо с аналогичным показателем при зубошлифовании.

Известно [73], что электрохимическая обработка не приводит к изменению свойств поверхностного слоя, в то время как после электроэрозии даже при чистовых режимах глубина измененного слоя более 4 мкм. Следует учитывать, что, если указанный показатель превысит 100 мкм, то вероятность возникновения микротрещин на обработанной поверхности резко увеличится. Толщина измененного слоя возрастает с увеличением энергии импульсов. При высоких напряжениях (свыше 12 В) начинается интенсивное искрение и, как следствие, возникают прижоги, что недопустимо для восстановленных зубчатых колес.

Производительность процесса определяет себестоимость обработки. Экспериментально установлено, что производительность доводки зубчатых колес комбинированным методом достаточно высока и процесс вполне конкурентоспособен. Так трудоемкость доводки сопрягаемых колес диаметром 160 и 40 мм (модуль 2) занимает в рабочем положении около 1 минуты, что на 2-3 порядка меньше, чем при традиционном ремонте с заменой колес.

В таблице 6.10 показана степень влияния режимов комбинированной обработки и свойств рабочей среды на скорость восстановления профиля эвольвентных зубьев в прямозубых передачах.

Таблица 6.10. Влияние режимов комбинированной

обработки и вязкости среды

на скорость восстановления профиля зубьев

Режимы обработки и параметры среды	Диапазон изменения параметра	Воздействие на скорость съема материала
Давление, Н/мм^2	1-10	Определяющее
Напряжение, В	2,75-5	Значимое
Время обработки, мин	0-60	Определяющее для отдельных технологических приложений
Вязкость среды, ст.	0,02-0,3	Значимое при настройке режимов

Управление процессом восстановления профиля зубьев через напряжение затруднено, т.к. диапазон изменения этого параметра (табл. 6.10) достаточно мал. Однако и в рекомендуемом диапазоне можно выбрать оптимальное значение напряжения для большинства марок сталей, применяемых для изготовления зубчатых передач.

Управление процессом через вязкость среды невозможно, т.к. отсутствуют технические средства для изменения параметра при выполнении операции доводки.

Управление процессом через время доводки возможно, хотя и затруднено, так как не удается достичь стабильности показателя из-за значительных колебаний параметров режима (напряжения тока, свойств рабочей среды и др.). Можно предложить этот способ для обработки некоторых видов зубчатых колес, где требования по точности невысоки (например, тихоходных передач сельскохозяйственных машин).

Наиболее перспективным представляется управление процессом комбинированного восстановления профиля через силу прижима контактных поверхностей. Проще всего этого добиться подтормаживанием (или ускорением) одного из обрабатываемых колес.

Технология восстановления зубчатых передач включает ряд последовательных этапов.

Перед восстановлением профиля зубчатых передач выполняют дефектацию деталей, где устанавливают величину и место износа рабочего профиля, оценивают возможность восстановления работоспособности передачи путем съема материала в пределах допуска на толщину зуба. Здесь может быть несколько вариантов:

• если одно из колес непригодно для восстановления, то его заменяют новым и включают в электрическую цепь в качестве катода-инструмента;

• при износе профиля зубьев обоих колес и минимальном проипуске, достаточном для восстановления эвольвенты, за счет толщины зуба доводку выполняют с периодическим переключением полярности. При этом длительность анодного растворения материала с каждого колеса пропорциональна величине начальной погрешности (z);

• при необходимости обеспечить особые условия работы передачи, например, обеспечения требуемых показателей плавности, бесшумности, минимального сопротивления вращению, безударности требуется скругление кромок. В некоторых случаях при восстановлении работоспособности зубчатых передач достаточно получить профиль, близкий к эвольвенте, отвечающий эксплуатационным требованиям к передаче с учетом ее применения в изделии. Здесь ограничителем является предельное или заданное значение получаемого параметра, например, степени контакта зубьев, и процесс доводки прекращается после достижения такого показателя независимо от других характеристик передачи. В этом случае можно снизить требования к минимальному припуску на обработку при восстановлении и уменьшить количество замен колес из-за дефицита величины z_min (рис. 6.21). Электрохимическая размерная обработка в процессе восстановления профиля зуба может обеспечить скругление кромок, снижение высоты неровностей, что позволяет повысить надежность передачи особенно при больших крутящих моментах и ударных нагрузках;

• в случае большого износа профиля зубчатого сопряжения, не позволяющего восстановить ранее имеющуюся степень точности, при возможности восстановления профиля с более низкой степенью точности назначают режимы электрохимической обработки, где в качестве начального условия принимают получение при предельном припуске погрешности профиля в пределах допустимого для заданной степени точности, а границей изменения припуска на восстановление профиля принимается минимальная толщина зуба. В этом случае, как правило, доводка профиля при восстановлении передачи выполняется на стенде без подшипников с использованием черновых режимов обработки, а восстановленная передача используется в узлах с более низкой степенью точности.

Доводка зубчатых передач с целью восстановления их работоспособности может проводиться без использования специального оборудования непосредственно в корпусе передачи, в некоторых случаях даже при отсутствии скользящих токоподводов, которые могут быть заменены отрезками гибкого провода, позволяющими выполнять возвратно-вращательные движения. В качестве рабочей среды используют слабо проводящие среды, например, растворы нейтральных солей или токопроводящие станочные смазывающе охлаждающие жидкости. Источником тока служит выпрямитель или аккумуляторы. Это открывает возможности ремонта редукторов в полевых условиях, особенно для тяжелой техники, транспортировка которой в мастерские и снятие крупных узлов без подъемных механизмов представляет большие трудности и вызывает необходимость в дополнительных затратах, увеличивает непроизводительные простои и сроки ремонта.

Несмотря на очевидную простоту предлагаемого способа восстановления, здесь требуется точно соблюдать технологическую дисциплину, в частности контролировать режимы протекания процесса, т.к. припуск на обработку достаточно мал и не может превышать допуска на толщину зуба, а колебания величины технологического напряжения может привести к разрушению подшипников за счет прохождения повышенного тока, прижогам за счет локальных коротких замыканий и к браку деталей.

Время обработки зависит от начального отклонения профиля изношенного зуба от теоретического, расчетной скорости анодного растворения материала, минимального припуска, ограниченного минимальной толщиной зуба.

Алгоритм определения параметров съема материала при комбинированной доводке профиля зубчатых зацеплений приведен на рис 6.24.

В качестве исходных данных для операции восстановления берут сведения из документации о дефектации зубчатого соединения, выполняемой, как правило, измерением кинематической точности зубьев. Устанавливают предельные отклонения изношенного профиля от теоретического, численные значения нарушения точности, минимальный и максимальный возможный припуск под обработку.

Следующим этапом определения параметров для режимов восстановления профиля зубьев является оценка возможности обеспечения после ремонта заданного допуска на профиль зуба для заданной степени точности.

После этого производят расчет величины неравномерности припуска и находят его минимальное значение z. При этом возможны следующие варианты:

1) z > z_min. В этом случае необходимо изменить степень точности. Если это невозможно, то доводку профиля с целью восстановления профиля колес реализовать нельзя.

2) z  z_min. В этом случае переходят к выбору параметра W₀ – средней скорости прокачки жидкости. Для рассматриваемого процесса нижний предел скорости течения рабочей среды составляет 0,5 м/с.

Рис. 6.24. Алгоритм управления съемом материала

при доводке зубчатых соединений

Затем выбирают из справочной литературы коэффициент проскальзывания К, учитывающий отставание жидкости от скорости колес в зоне контакта.

Величину коэффициента перекрытия , выбирают в диапазоне 1,2-1,5.

Имея исходные данные, можно найти длину зоны обработки L, которая может быть принята равной дуге перекрытия зубчатой передачи.

Частота вращения передачи n определяется по исходным данным о зубчатом зацеплении и по найденным значениям К, , W₀. Если полученная расчетная частота не может быть реализована на имеющемся оборудовании, то необходимо перейти к ближайшей стандартной частоте. Для стальных передач частота вращения, как правило, находится в пределах 0,5-1 сек^–1.

По приведенным зависимостям можно рассчитать коэффициент диффузии D.

На следующем этапе выбирают параметр вязкости , которая играет роль смазки, разделяющей трущиеся пары и диэлектрика. Для редукторов данная величина может иметь значение, соответствующее вязкости индустриального машинного масла.

Вязкость пограничного слоя определяет минимальный межэлектродный зазор при доводке передачи и рассчитывается в зависимости от величин W₀, , D, L.

Расчет минимальной величины зоны контакта сопрягаемых поверхностей зубчатых колес можно вести с определенным приближением. В таком случае она будет зависеть от шероховатости зубчатых колес и коэффициента, учитывающего максимальные неровности профиля. Кроме того, в теории смазки существуют более точные методы расчета с помощью решения задачи Эртеля для гидродинамической смазки подшипников качения, или по частной зависимости для цилиндрических поверхностей, разделенных смазкой.

Затем необходимо провести расчет нормальной силы Р₁ (см. 6.106) для того, чтобы можно было определить, при известных геометрических размерах рычагов и колес, силу торможения в процессе доводки. При этом может оказаться, что торможение невыполнимо. В таком случае потребуется изменение конструктивных параметров оборудования. Сила Р₁ будет влиять на толщину пленки между контактными поверхностями, которая, в свою очередь, повлияет на весь процесс доводки. Способ управления по контактному давлению обеспечивает расчетный съем материала и получение расчетной геометрической точности.

Выбор рабочей среды и напряжения на электродах выполняют по приведенным в работе рекомендациям и [113], [114]. Для стальных передач доводка делается при режимах: напряжение 2,5 – 4В , рабочая среда 3-5% водный раствор нитрата натрия или СОЖ.

Число переходов при доводке оценивается по (6.100). Для учета одновременной обработки нескольких зубьев вводится коэффициент , который позволяет снизить общее время доводки. Если при расчете будет получено отрицательное значение, то это покажет, что доводка не требуется.

Если условие ₀ не выполняется, то время обработки будет равняться .

6.6.5.4. Рекомендации по проектированию

оборудования

При создании установки для доводки зубчатых колес следует учитывать, что допустимые отклонения эвольвентного профиля точных зубчатых колес могут не превышать 2-3 мкм, поэтому перестановка рабочего и эталонного зубчатых колес для доводки на экспериментальную установку может вызвать погрешности базирования, значительно превышающие допустимые для восстановленного зубчатого колеса. В качестве базы для проектирования установки целесообразнее применять редуктор или узел, в котором ранее эксплуатипровалось восстанавливаемое зубчатое колесо. Скорость вращения колес в процессе доводки невелика, и их поворот может выполняться вручную через конец ведущего вала. При проведении доводки целесообразно предусмотреть демонтаж подшипников качения и замену их фторопластовыми втулками с наружными размерами подшипников качения. Этим достигается изоляция зубчатых колес от корпуса и сохранность подшипников. Для проектирования гидравлической системы следует учесть, что в качестве рабочей жидкости часто применяют бытовую воду с антикоррозионными добавками (например, 1-2% NaNO₂) или СОЖ. Рабочее напряжение при доводке составляет 4-6 В (положительный полюс источника подключают к обрабатываемому колесу), а весь диапазон напряжений может составлять от 2 до 10 В. Поскольку сила тока при комбинированном процессе не превышает 5 А, то в качестве источника тока в установке можно применять стандартное зарядное устройство с регулируемым напряжением и приборами контроля силы тока и напряжения. Ток подают на электроды торцевыми щетками из меднографита или меди. При возвратно-вращательном движении валов возможно заменить щетки гибкими токоподводами из меди и ее сплавов. Регулирование межэлектродного зазора удобнее выполнять изменением силы торможения ведомого зубчатого колеса, например, за счет трения его торцевой поверхности с пластиной, прижимаемой к торцу винтом. Наладка режимов начинается с выбора напряжения, при котором искрение носит периодический характер и проявляется в форме ограниченных колебаний стрелки амперметра на источнике питания. После этого испытывают работу установки при доводке зубчатых колес. Первый этап этой операции включает настройку на повышение чистоты контактных поверхностей, что может оцениваться визуально на открытых участках сухого профиля по эталонам. В большинстве случаев получение зеркальной поверхности зубьев обрабатываемого колеса свидетельствует о высокой площади контакта зубьев и снижении погрешности до допустимых пределов. Если этого недостаточно для повышения точности, то переходят на анодное растворение при напряжении 2-3 В и устанавливают силу прижима для этого режима обработки. Полученные параметры процесса заносят в инструкцию по эксплуатации установки.

6.6.5.5. Эксплуатационные характеристики

восстановленных зубчатых и шлицевых передач

При работе высоконагруженных зубчатых и шлицевых передач нарушение точности контактных поверхностей происходит не только за счет механического износа профиля, но также из-за повышенного наклепа, вызывающего отслоение металла, так как в случае многократных соударений зубьев при неравномерном износе профиля в местах контакта возрастает микротвердость наружного слоя и накапливаются остаточные напряжения растяжения, величина которых может превысить предел прочности материала и вызвать разрушение поверхностного слоя. Энергия соударения после восстановления зубчатых колес зависит от погрешности профиля зубьев и их взаимного расположения. Чем ниже точность, тем больший зазор возникает в момент набегания очередного зуба, и, за счет этого, выше энергия удара. Для высоконагруженных передач объективно существуют и другие факторы, увеличивающие зазоры, а, следовательно, силу соударения и наклеп контактных поверхностей. В частности, к ним относятся: податливость системы передачи вращения, деформация зубьев под действием сил от передаваемых моментов, неравномерность износа профиля контактных участков. Часть этих факторов удается нейтрализовать при доводке в процессе восстановления профиля колес рассматриваемым методом.

Исследование поверхностного слоя материалов зубчатых колес после доводки проводилось на образцах с имитацией условий работы передач.

Цементация контактных поверхностей слабо повлияла на остаточные напряжения, хотя снизила степень наклепа с 12% до 8% по сравнению с закаленными зубьями. Однако химико-термическая обработка заметно повысила усталостную прочность материала зубчатого колеса (рис. 6.25).

Рис. 6.25. Усталостная прочность сплава 12Х2Н4А с цементацией (2) на глубину 0,8 мм и без нее (1)

После 80 часов работы зацепления с модулем зубьев 2 мм с односторонним плавным вращением в редукторе грузоподъемного механизма остаточные напряжения существенно меняются в сторону растяжения. Без цементации предел растягивающих напряжений на глубине 50-55 мкм достигает 500- 520 МПа, что соизмеримо с пределом усталостной прочности (рис. 6.25) при циклических напряжениях, свойственных работе зубчатых передач.

Как видно из рис. 6.25 предел усталостной прочности сплава без цементации (552 МПа) близок к пределу растягивающих напряжений (520 МПа) материала после работы в передаче. Вполне логично предположить, что увеличение наклепа вызовет возрастание остаточных растягивающих напряжений до предела усталостной прочности сплава и разрушение поверхностного слоя в виде чешуек, что нарушит точность и ускорит износ передачи. Цементация (рис. 6.25) повышает ресурс передаточных зубчатых механизмов. Восстановление подобных колес возможно, если износ не превышает нижнего предела толщины слоя цементации (как правило не менее 0,6 мм), что определяется величиной износа профиля зуба и изменением его толщины (рис. 6.26).

Рис. 6.26. Изменение толщины зуба в течение эксплуатации

Как видно из рис. 6.26 износ цементированной контактной поверхности не превышает 0,1 мм и этот параметр не может лимитировать возможность восстановления зубчатых передач.

Ресурс подобных передач в редукторах закладывают, как правило, 400 - 500 часов, и это относится к термоулучшенным колесам. С позиций сохранения степени точности колес из рис. 6.26 следует, что через 300 часов наработки колесо или пару целесообразно восстановить с удалением слоя не более 35 мкм.

Разработанный способ комбинированного восстановления профиля контактных пар позволяет в рабочем положении колес добиться увеличения площади контакта зубьев до стандартного значения, удалив при этом перенаклепанный слой, который образуется на выступах профиля и может быть снят за счет анодной составляющей процесса (рис. 6.27).

Рис. 6.27. Изменение площади контакта зубьев

при комбинированной доводке зубчатой пары

Из рис. 6.27 можно заключить, что стандартная предельная норма контакта зубьев может быть достигнута уже после удаления припуска 20 мкм, при этом границы местных отслоений (толщина их может достигать 50 мкм) скруглялись и не влияли на работу передачи, хотя и не имели непосредственного контакта с сопрягаемой поверхностью.

После доводки профиля состояние поверхностного слоя, оцениваемое по величине и знаку остаточных напряжений, изменилось в желаемом направлении (рис. 6.28) получения сжимающих удельных сил.

Рис 6.28. Распределение напряжений после доводки колес

(1 - по начальной окружности; 2 - по наружному участку;

3 - по внутреннему участку контакта зубьев)

Распределение напряжений (рис. 6.28) показывает, что после восстановления передача вполне работоспособна, хотя накопленные ранее в процессе эксплуатации изменения в структуре поверхностного слоя материала не позволяют полностью сохранить ресурс, заложенный в новом изделии. Исходя из опыта авиационной отрасли, где подобные исследования наиболее достоверны, время последующей наработки восстановленных зубчатых колес можно назначить в пределах 0,5- 0,6 от начального гарантированного ресурса.

6.6.6. Безабразивная полировка диэлектрическим притиром

Схема обработки приведена на рис. 6.29.

Катодные элементы 4 могут быть установлены заподлицо с притиром 2, но в этом случае приходится использовать низкое (2-4 В) напряжение, что снижает производительность процесса. Если это целесообразно и технически осуществимо, то элементы 4 устанавливают с зазором относительно поверхности притира и повышают напряжение на электродах до 6-8 В.

Рис. 6.29. Схема безабразивной полировки

1 – вал – токоподвод; 2 – диэлектрический притир; 3 – обрабатываемая заготовка; 4 – катодные элементы; е – эксцентриситет вала при вращении его с частотой n; Р – сила прижима притира к заготовке

Эксцентриситет "е" позволяет выравнивать условия протекания процесса и дает возможность повысить его технологические показатели. Давление Р обеспечивает контакт притира с заготовкой 3. Его величина незначительна и может быть ограничена массой притира.

Основными недостатками рассматриваемого способа являются:

• безразмерный съем, позволяющий устранить только небольшие (в основном микро) неровности;

• нестабильность процесса при полировке неплоских элементов конструкции, что снижает технологические показатели процесса.

Устранение этих недостатков возможно путем создания остаточно сложных (а следовательно и дорогих) инструментов с плавающими конструктивными элементами. Однако исследования в этой области находятся на стадии экспериментов и пока не известны результаты промышленного использования рассматриваемого способа, хотя реализация его возможностей весьма целесообразна. Результаты исследований показывают, что комбинированная полировка позволяет:

• сохранить точность профиля, полученную на предшествующих операциях, если обрабатываемая поверхность имеет плавный незначительный изгиб;

• снизить высоту неровностей до R_z=0,1-0,3 мкм. При этом допускается шерозоватость исходной поверхности R_a=1,25-2,5 мкм;

• устранить наклеп поверхностного слоя от предшествующих операций, что снижает внутренние (главным образом растягивающие) напряжения материалов и позволяет сохранить точность исходной формы деталей;

• снизить до безопасного уровня силу прижима, которая может вызвать коробление заготовок ажурной конструкции.

В табл. 6.11 приведены технологические параметры и режимы полировки, где используют инструменты, аналогичные применяемым при механических доводочных операциях, но устанавливают катодные элементы и притиры из рекомендованных материалов.

Серийного оборудования для притирки пока не создано, поэтому используют модернизированные (сверлильные, притирочные и др.) станки. При модернизации проектируют ванну для рабочей среды, которую устанавливают на стол станка, токоподводы с изоляцией полюсов, комплектуют оборудование источниками постоянного тока (ВАК; ВАКР 320 или ВАКР 630).

Таблица 6.11. Технологические параметры

и режимы полировки

Параметры и режимы	Предварительная обработка	Окончательная обработка
Материал:
- притира;	керамика, пластмассы	бук, капролон, пластмассы
- катодных элементов	латунь, бронза	латунь, медь
Межэлектродный зазор, мм	0,05-0,1	0-0,05
Напряжение, В	6-8	2-4
Прижим притира, МПа	0,01-0,02	0,005-0,01
Угловая частота, 1/сек	10-20	20-60
Эксцентриситет, мм	не обязателен	1-2
Рабочая среда:
- для обработки конструкционной стали	5-10% раствор NaCl с добавкой 0,02-0,2% NaNO2	5-6% раствор NaNO3 с добавкой ингибитора коррозии или 0,2-0,5% NaNO2 станочная СОЖ
- для обработки нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов	5-6% раствор NaCl СОЖ	4-5% раствор NaNO3 промышленная вода СОЖ
Температура рабочей среды, К	290-293	290-293
Предельная загрязненность рабочей среды, %	0,5-1% по массе	менее 0,5% по массе